Как солнечный реактор из Швейцарии производит «зелёный водород»

Это сооружение, напоминающее параболическую спутниковую антенну, установлено на территории кампуса Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (EPFL), и не заметить его просто невозможно. © Lionel Caloz 2022

Серия Водород: топливо будущего, Эпизод 4:

Инновационный энергоблок из Швейцарии обещает решить две основные проблемы, стоящие на пути рентабельного производства «зелёного водорода».

Уникальный солнечный реактор, разработанный в Швейцарии, обещает решить две основные проблемы, стоящие на пути массовой и рентабельной выработки «зелёного водорода»: он поможет снизить стоимость этого возможного «топлива будущего» и качественно сократить протяженность путей его транспортировки. Первая тестовая энергоустановка на основе швейцарской инновационной технологии будет запущена в Конфедерации уже в феврале 2024 года.

Это сооружение, напоминающее параболическую спутниковую антенну, установлено на территории кампуса Швейцарского федерального технологического института в Лозанне (EPFL), и не заметить его просто невозможно. Будучи семь метров в диаметре и направленным в небо, оно напоминает что-то вроде радиотелескопа. Однако его задача состоит не в поиске «жизни на Марсе», а в преобразовании солнечного света и воды в водород. «Это первый действующий прототип такого рода установки», — говорит София Хауссенер (Sophia Haussener), руководительница Лаборатории возобновляемых источников энергии при EPFL (Laboratory of Renewable Energy Science and EngineeringВнешняя ссылка).

Понятие «действующий прототип» означает, что соответствующая технология уже покинула сферу теории и вышла на практический простор, имея все элементы, необходимые для непрерывного производства «зелёного водорода» (то есть водорода, получаемого за счет не сжигания минерального топлива, а использования возобновляемых видов энергии). Система, созданная в Швейцарии носит название Arb, от латинского arbor («дерево»). Она была запатентована компанией SoHHytecВнешняя ссылка, стартапом, созданным на базе деловой и научной экосистемы EPFL, с целью решить две основные задачи, стоящие на пути массовой и рентабельной выработки «зелёного водорода»: снизить стоимость этого возможного «топлива будущего» и качественно сократить протяженность путей его транспортировки.

Технология Arb способна производить водород в товарных масштабах в непосредственной близости от места его использования, причем по такой же, если даже не более низкой, стоимости, чем так называемый «серый» водород, добываемый за счет сжигания метана и угля. Пока на данный момент 96% водорода, производимого в мире, поступает именно за счет использования ископаемого топлива. Такого рода и в самом деле весьма заманчивые перспективы позволили компании SoHHytec привлечь недавно более трех миллионов франков свежего финансирования, убедив многие ведущие компании металлургического, энергетического и логистического секторов сделать ставку именно на «зелёный водород». И вот теперь, после десяти лет исследований и разработок, это «водородное дерево» вроде бы готово к снятию первого урожая.

Как это работает?

Сам по себе принцип действия швейцарской установки не нов. Солнечный свет отражается в параболическом зеркале и концентрируется на реакторе (энергоблоке), расположенном в фокусной точке зеркала. Внутри реактора электрический ток, генерируемый солнцем, расщепляет молекулы воды (H2O) на водород (H2) и кислород (O2) по схеме, аналогичной фотосинтезу. Система, как подсолнух, следит за положением солнца на небе и следует за ним в течение дня, с тем чтобы максимизировать выработку водорода (см. видео ниже). Система способна производить водород даже в пасмурную погоду или ночью, подключаясь к внешнему источнику питания.

Этот инновационный энергоблок из Швейцарии обещает решить две основные проблемы, стоящие на пути массовой и рентабельной выработки «зелёного водорода». SoHHytec

Уникальность установки заключается в ее способности рекуперировать тепло и кислород, образующиеся в процессе работы. Понятие «рекуперация» происходит от лат. recuperatio, что значит «обратное получение, возврат, восполнение, возмещение». В данном случае речь идет о возвращении доли материалов или энергии для повторного использования в том же самом или побочном полезном технологическом процессе. Тепло, генерируемое «водородным деревом», может быть, например, использовано для обогрева зданий или для предварительного нагрева каких-то промышленных установок.

Кислород, который в данном контексте играет роль побочного продукта, может быть предоставлен в распоряжение больниц. Компания SoHHytec утверждает, что технологии, на которые опирается проект Arb, имеют значительно более высокий КПД, нежели обычные установки по производству «зеленого» водорода, использующие солнечную или гидроэлектрическую энергию. С учетом рекуперации тепла и кислорода КПД (коэффициент полезного действия) этой установки приближается к 80%.

Достаточное количество водорода

Вырабатываемый при помощи технологий Arb водород имеет чистоту более 99%. Будучи предварительно сжатым уже в реакторе, он сразу же готов к применению. Об этом порталу SWI swissinfo.ch рассказывает Саурабх Тембхурн (Saurabh Tembhurne), один из учредителей компании SoHHytec. Получая примерно полкило водорода в день, тестируемый в настоящее время прототип способен обеспечить автомобилю на топливных элементах пробег в 70 км в день. Он также подчеркивает, что суть фотохимических реакций получения экологически чистого водорода была открыта уже несколько десятилетий назад и все дело заключалось в том, как «упаковать» теорию в востребованную на рынке, рентабельную и практичную энергоустановку.

Эксперт Канан Акар (Canan Acar) из «Университета Твенте» (Universiteit Twente — нидерландский университет, расположенный в городе Энсхеде, провинция Оверэйсел) подтверждает в электронном письме на адрес SWI swissinfo.ch, что технология, разработанная учеными EPFL, «представляет собой значительный шаг на пути к устойчивым энергетическим решениям».

Сам Канан Акар занимается разработками в области технологий получения «зелёного» водорода уже более 15 лет. «Степень практичности (швейцарской) системы повышается за счет локализованного производства, снижающего степень потребности в сложной логистике», — говорит он. Срок службы одной установки Arb оценивается примерно в 20 лет. Для увеличения объемов производства достаточно увеличить диаметр параболической «тарелки» или просто увеличить количество «водородных деревьев» на единицу площади. Как это могло бы выглядеть? См. ниже анимационный ролик:

Первый демонстрационный прототип такого энергоблока предполагается запустить в феврале 2024 года в регионе города Эгль на юго-западе Швейцарии. «Тарелку» установят на территории компании по производству металлоконструкций и труб из нержавеющей стали Zwahlen & Mayr. Получаемый таким образом водород она будет использовать для производства прецизионного трубопроката, для чего ей придется задействовать сразу пять модулей Arb диаметром девять метров каждый и общей мощностью 20 мегаватт.

Как сообщил порталу SWI swissinfo.ch Кристиан Шарпин (Christian Charpin), замдиректора компании Zwahlen & MayrВнешняя ссылка, его фирма рассчитывает таким образом покрыть около 20% своих потребностей в водороде, получаемая тепловая энергия будет использоваться для разогрева технической воды, а кислород пойдет на нужды местных больниц. Компания SoHHytec не намерена ограничиваться Швейцарией и планирует скоро начать экспортировать свои инновации за рубеж.

В рамках своего проекта в Калифорнии она планирует создать целый «парк» с почти одной тысячей установок Arb, способных производить в совокупности до 2 400 тонн водорода в год. Такие установки смогут, например, обеспечивать экологически чистым топливом большой флот большегрузного транспорта в составе по меньшей мере полторы сотни грузовиков с пробегом у каждого до 500 км в день.

По оценкам Саурабха Тембхурна, благодаря такой технике стоимость производства «зеленого» водорода в США может снизиться примерно до 2,5 доллара за 1 кг, сравнявшись со стоимостью водорода, получаемого из метана. В Швейцарии отпускная цена «зелёного» водорода составляет 15–23 франка за 1 кг. По словам С. Тембхурна, при наличии больниц, готовых покупать получаемый параллельно кислород, стоимость «зелёного водорода» понизилась бы в еще большей степени. Сейчас компания SoHHytec ведет переговоры с вероятными партнерами в Индии.

Энергия с огорода

Как отмечает Канан Акар, эффективность и жизнеспособность таких солнечных водородных систем в значительной степени зависит от географических и климатических условий. «Регионы с высокой интенсивностью солнечной радиации получили бы за счет таких систем наибольшую выгоду, а вот в районах, где солнечный свет в дефиците, многое может «пойти не так», — отмечает он. Еще одна проблема — поиск интерфейса, который позволил бы промышленным предприятиям подключаться к таким системам, как Arb. Решение этой задачи потребует точных экономических расчетов и тщательного планирования.

Пока компания SoHHytec ориентирована на промышленный сектор, но в будущем она не исключает возможности применения водорода и для нужд жилого фонда. По словам Саурабха Тембхурна, использование водорода в жилищном строительстве пока еще редкость и многое зависит от строгих местных СНИПов. «Однако в целом мы вполне могли бы представить себе параболические тарелки меньшего размера, подходящие для нужд односемейных домов, с помощью которых люди смогли бы производить себе энергию и тепло буквально в собственном огороде».

Серия Водород: топливо будущего

• Эпизод 1: 1. Швейцария тоже включилась в охоту за природным водородом
• Эпизод 2: 2. В гонке за «зеленым водородом» Швейцария пока отстаёт
• Эпизод 3: 3. Стартап Destinus намерен построить «Конкорд» на водороде
• Эпизод 4: 4. Как солнечный реактор из Швейцарии производит «зелёный водород»
• Эпизод 5: 5. «Зелёный водород»: шансы, риски и вопрос баланса
• Эпизод 6: 6. «Зеленое авиатопливо» из Швейцарии будет создано к 2030 году?
• Эпизод 7: 7. Швейцария развивает водородные технологии мобильности
• Эпизод 8: 8. «Зеленое авиатопливо» и швейцарские научные разработки
• Эпизод 9: 9. В Швейцарии разработали технологию получения водорода из воздуха